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流體靜密封技術
墊片密封設計方法和計算
兩種設計方法：
①“規范”方法：“具有環形墊片的螺栓法蘭連接計算規則” 。
墊片在安裝時螺栓預緊載荷：

操作壓力下保持緊密連接所需要的螺栓載荷：

式中：y—最小預緊墊片應力；
m—最低操作墊片應力是介質壓力的m倍，以增加螺栓載荷，不致出現由于流體靜壓在容器端部引起的載荷將密封面分離而導致泄漏。
關鍵：一個緊密的螺栓法蘭墊片接頭必須在安裝時將墊片預緊到一定的載荷；操作時，墊片上必須保持足夠的最低載荷。
特點：操作和預緊載荷均基于“規范”推薦的m和y系數。
對每種類型和材料的墊片有一個或一組m和y系數，與密封介質性質、壓力、溫度等無關。
按照m和y代表的概念，“規范”只考慮接頭或是“不漏”或是“漏”。即只考慮所設計的螺栓墊片法蘭接頭在結構上能否保證安全，能否保證接頭達到緊密不漏。
實際上m、y是非規定性的，只是用來確定墊片安裝和操作狀態下需要的建議值。
②基于泄漏率的法蘭墊片密封設計新方法
1974年，PVRC通過試驗研究發現：影響墊片性能有許多復雜的因素，包括允許泄漏率、密封介質、內壓、裝配墊片應力、墊片尺寸和密封表面粗糙度等。
“規范”方法只要求簡單地提供“改進”的m和y系數這一過于簡化的想法是不現實的。
試驗研究發現：墊片的密封性能和墊片應力之間的關系可以定量表示為某些與墊片有關的參數的函數關系，這些參數在確定螺栓載荷中起著重要作用。
這些重要參數已可代替“規范”中的m和y系數。
按照設計壓力下最大的允許泄漏率直接用在設計中。新的設計方法提供一種定量的緊密性程度。
ASME的一個特別工作小組(SWG)與PVRC共同擬訂了新的墊片常數，同時對傳統的ASME附錄2的螺栓法蘭設計規則作相應的改變。新規則作為規范的一個新的螺栓法蘭連接設計的非規定性附錄。
此外，一個ASTM的課題組也正在以PVRC墊片密封性試驗為基礎，起草ASTM標準試驗方法，將使得生產廠對其新的或改進的墊片提供新的墊片常數。這些工作對墊片生產廠、螺栓法蘭連接設計人員以及用戶都十分重要。
■ PVRC 緊密度水平 ■ 墊片密封設計新方法與規范方法的比較 ■ 高溫法蘭密封防漏設計
■ 高壓與自緊密封設計 ■ 金屬平墊密封 ■ 雙錐環密封 ■ C形環密封 ■ 金屬O形環密封
PVRC 緊密度水平
緊密度等級 質量泄漏率 應用場合
Tightness Level Mass leakage rate
（mg/s/mm .dia.） Applications
T1（經濟） ≤2×10－1 公用（水、空氣）工程
T2（標準） ≤2×10－3 一般要求
T3（緊密） ≤2×10－5 易燃、中、高度毒性介質
T4（嚴密） ≤2×10－7 極度毒性介質、高真空
T5（極密） ≤2×10－9 核裝置
墊片密封設計新方法與規范方法的比較
    現代社會對環境問題的重視，要求墊片的密封性能，應逐漸達到從減少“泄漏”到消除“逸出”或者從“零泄漏”提高到“零逸出”的密封技術水平，這不僅影響到煉油和化工廠，也涉及到設備制造廠和墊片生產廠，而且對設計壓力容器或管道的螺栓連接提出了新的方法和更高的要求。
新設計方法允許在廣泛的墊片種類、幾個緊密度等級和一定的裝配效率范圍內給設計更大的靈活性。
僅就緊密度的回旋余地來看，設計可以針對接頭的不同泄漏要求(緊密度等級)，在確定的墊片種類和密封壓力下，給出多種墊片應力或螺栓載荷的選擇。
計算結果表明，對傳統的墊片而言，許多按現行ASME規范附錄2設計的接頭的緊密度等級位于T1和T2之間，而對比較新的很緊密的墊片，則主要落在T2和T3之間。
若要求墊片更高的緊密度，載荷高于老方法有可能導致法蘭增厚。但這并不意味著新方法比傳統方法保守，法蘭增厚正是由于設計要求高的緊密度所致，而在傳統方法中緊密度不是它的設計要求。
對密封而言，新方法以緊密度作為法蘭設計準則相比原來的強度準則更加合理和科學。
高溫法蘭密封防漏設計
化工設備中，墊片常因高溫而發生泄漏。
這種現象在設備開、停車或操作溫度波動大時尤為嚴重。
例如，不少中、小型化肥廠變換工段的換熱器，在正常操作時不漏，可是升溫、降溫過程中往往泄漏嚴重。
高溫導致泄漏的主要原因：
法蘭、螺栓、墊片的彈性模量降低，材料發生蠕變，非金屬墊片發軟或變硬，金屬墊片塑性增加，回彈能力降低；
法蘭撓曲和螺栓伸長現象加劇以及由于兩者溫差而產生的附加應力等等。
高溫法蘭可采取下列幾種方法來防止泄漏。
(1)采用彈性螺栓
    對高溫法蘭連接處的螺栓材質，人們較為重視，而螺栓的結構往往會被忽視。
在國外的高壓或高溫設備中，早已使用了彈性螺栓。原西德《AD規范》B7中對彈性螺栓使用場合及主要結構作了如下簡要闡述：為使螺栓連接盡可能具有彈性，建議按DIN2510設計成彈性螺栓“當設計溫度超過300℃，或許可工作壓力大于4MPa時，應當采用彈性螺栓。
    彈性芯桿長度不小于螺紋直徑的兩倍，只有螺栓芯桿直徑ds≤0.9dk(dk為螺紋根徑)或其尺寸符合DIN2510的螺栓才算彈性螺栓，有全長螺紋的螺栓在計算時作剛性螺栓考慮。

(2)防止墊片擠出
    在中、低壓高溫法蘭中，如采用凹凸面法蘭和純鋁平墊時，應將法蘭設計成帶兩道止口的型式。對于非平蓋法蘭，可在鋁墊片的內圈側另加一厚度稍薄的鋼墊圈(如圖3—18)，以防止鋁墊片被擠出并承受部分預緊力。當溫度升高或因波動導致鋁墊片放松時，鋼圈釋放出彈性能，這樣減少了對鋁圈密封比壓的影響。
(3)采用高回彈性墊片
在高溫情況下，盡可能采用回彈性能好的墊片，如帶內外環的柔性石墨纏繞墊。
    國外有換熱器專用密封墊，其外圈為纏繞墊(可帶外環)，內圈是金屬包墊，根據管箱的需要還可以做成異形的。采用一般的墊片不滿足換熱器密封需要時，改用此種墊片后，結果令人滿意。
    原使用金屬包墊的換熱器都可改用，其規格與纏繞墊相同，常用的厚度為4.5mm，墊片最小寬度為25mm，密封面表面粗糙度同金屬包墊。
(4)焊接密封
    焊接密封指在條件苛刻又不經常拆卸的法蘭連接部位，不放置墊片，而采用焊接的方法保證其密封性能。
    不屬于墊片密封，但比一般高壓密封墊片的連接結構可靠，對高溫下操作或者溫差變化大的換熱器較為合適。制造簡便，加工要求比采用墊片的要低，還能減小法蘭厚度。

高壓與自緊密封設計
高壓密封的特點
    高壓容器在煉油化工設備中占有十分重要的位置，能否正常運行很大程度上取決于密封結構的完善程度。
統計表明：出現泄漏的化工設備中，高壓容器僅占極小的比例。只要在設計、制造、安裝、管理上高度重視，高壓設備的密封能夠解決。
根據密封作用力不同，高壓密封可分為三類：
(1)強制密封：如平墊、卡扎里、透鏡墊密封；
依靠擰緊主螺栓使頂蓋、密封元件和筒體端部之間具有一定的接觸應力而達到密封。
內壓上升后，螺栓伸長，頂蓋上浮，接觸應力減��；要求大的預緊螺栓力以保證在工作狀態下，墊片與頂蓋、筒體端部之間的密封性能可靠。
(2)半自緊密封：雙錐環密封、八角墊密封、橢圓墊密封；
依靠各自結構特點，墊片、頂蓋和筒體端部之問的接觸應力隨工作壓力升高而增大，高壓下密封性能更好。預緊時，為建立初始密封施加的螺栓力較強制密封所需的螺栓力小得多，故可不用大直徑螺栓。
(3)自緊密封：C形環、O形環、三角墊、楔形墊、伍德密封。
利用螺栓預緊力使密封元件產生彈性變形并提供建立初始密封的預緊壓力，當壓力升高后，密封面的接觸應力也隨之上升。保證了密封性能。
平墊和雙錐環密封在國內煉油、化肥等行業使用最廣。
平墊密封：(包括齒形墊，其密封性能優于平墊)結構簡單，使用經驗成熟，屬強制型密封。當設備封口直徑大、壓力高時，要求螺栓直徑相應也大，頭部結構顯得笨重。
雙錐環密封：性能較平墊有所改善，在壓力、溫度波動時，密封可靠。
缺點：仍需大螺栓，加工和裝拆困難。使用受到限制。鑒于液壓拉伸器的推廣使用，尚具有一定生命力。
隨著化工設備向單系列、大容量發展，強制式和半自緊式密封將逐漸被自緊式密封所代替。
卡扎里、伍德、楔形密封：在過去一些引進化肥設備中使用較多，不采用大螺栓，密封可靠，可在經常拆卸和需要快開的場合使用。
    但制造要求高，尤其是伍德密封，零件多、頭蓋笨重，占據高壓空間大，自20世紀70年代以來，中小型化肥廠新設計的高壓容器已很少采用這類密封。
    近年來，在新型高壓密封結構的試驗研究、設計、制造、安裝等力面取得了一定的經驗。諸如C形環、金屬O形環、三角墊等密封結構逐浙取代老式的密封結構。
設計、選用高壓密封應遵循下列原則：
(1)在正常操作或壓力、溫度有波動的情況下，能保證容器的密封性能；
(2)結構簡單，便于安裝檢修，減輕裝拆過程的勞動強度，檢修周期短；
(3)加工制造方便，不要求過高的表面粗糙度和精度；
(4)密封元件少，緊固件簡單輕巧，結構緊湊，占用高壓空間少，減輕設備重量；
(5)密封元件耐腐蝕，能多次重復使用。
下面介紹各種高壓密封裝置的結構、原理、計算等，重點放在幾種常用或有發展前途的裝置上。
金屬平墊密封
⑴.金屬平墊密封結構
在螺栓預緊力作用下，塑性變形的墊片材料將接觸面之間的不平處填滿，達到密封。
特點：墊片與頂蓋、筒身的間隙較小，墊片不會因壓緊向兩側擠出而影響密封。
為了改善密封性能，可在密封面上開1～2條三角形截面的環形溝槽(即水線)。
適用范圍：溫度不高的中、小型高壓容器。結構簡單，墊片及密封面加工容易，在小直徑、壓力低于32MPa的設備上使用比較成熟。
應用：為數較多的中、小型化肥廠的氨分離器、油分離器、銅液塔、濾油器、氨冷器均采用鋁質平墊。
金屬平墊推薦使用范圍見










⑵.材料的選擇
①退火鋁(硬度HBl5—30)；
②退火紫銅(硬度}HB30～50)；
③10號軟鋼。
主螺栓、主螺母配對用材可按GB150—98《鋼制壓力容器》第九章規定。
⑶.密封載荷和螺栓計算及尺寸系列
    屬于強制密封，一樣有兩種設計計算方法：一是m、y系數法；二是基于泄漏率的緊密度法（參閱上節方法計算）。
平墊、頂蓋、筒體端部的配合尺寸及系列見GB150—98《鋼制壓力容器》附錄G。
缺點：當直徑大、溫度高，特別是溫度、壓力波動大時，性能不佳，要求預緊力大，螺栓較粗、結構笨重，裝卸不便，幾乎每次拆卸后都要更換墊片，故不推薦使用。
雙錐環密封
屬半自緊式密封，在合成氨的合成塔和石油加氫反應器中廣泛采用。
有較高的耐溫、耐壓范圍，在34.3MPa壓力時，封口直徑可達Φ2000mm甚至更大，使用溫度在400℃以下。
國外曾將該結構成功地用于Φ2800mm的纏繞式高壓容器以及壓力為196MPa的高壓聚乙烯反應器。
GB150推薦使用范圍：設計壓力6.4～35MPa，設計溫度0～400℃，內直徑為Φ400一Φ2000mm。
⑴.工作原理
    在兩個錐面上一般都放有lmm厚的金屬軟墊片。雙錐環與頂蓋之間有一間隙，托環將雙錐環托起。
預緊時，由主螺栓壓緊頂蓋，使雙錐環受壓產生徑向彈性收縮并使環內側面貼緊頂蓋；金屬軟墊片產生塑性變形，建立初始密封。
當介質壓力上升時，介質進入雙錐環與頂蓋的環形間隙，使雙錐環產生徑向擴張，加上雙錐環本身的回彈，彌補了因頂蓋、螺栓及筒體端部的上升、伸長和擴張、偏轉所帶來的密封比壓下降。




⑵.帶軟墊片的雙錐環密封
為GB150—98《鋼制壓力容器》標準中推薦結構，其附錄G3對其結構、軟墊片尺寸材料、設計計算均有詳述。
①主螺栓密封總載荷計算
設A為雙錐環高度(mm)，B為雙錐環厚度(mm)，C為環的外側高度(mm)，環的內徑為D1。
預緊狀態的主螺栓總載荷按下式計算：


公式中，α——雙錐環密封面錐角，(°)。
操作狀態的主螺栓載荷：

式中：F——內壓引起的總軸向力，N；
Fp——自作用的軸向分力，N；
Fc——雙錐環回彈力的軸向分力，N；
f——雙錐環的截面積，m2；
b——雙錐環的有效高度，b=(A+C)／2，m；
e——徑向間隙，m。
②結構與材料
密封面上通常開有2～3條半徑1.5mm、深1mm左右的半圓形或三角形溝槽。雙錐環錐角α=30°，錐面表面粗糙度為3.2～1.6μm。
采用韌性好的材料，使其在壓縮狀態下有足夠回彈能力。推薦使用下列材料：20、25、35、16Mn、20MnMo、20CrMo、15CrMo、1Crl8Ni9Ti等。
軟墊片有金屬、非金屬兩類，非金屬用柔性石墨；金屬用退火鋁、退火紫銅、純鐵、奧氏體不銹鋼。
②結構與材料
密封面上通常開有2～3條半徑1.5mm、深1mm左右的半圓形或三角形溝槽。雙錐環錐角α=30°，錐面表面粗糙度為3.2～1.6μm。
采用韌性好的材料，使其在壓縮狀態下有足夠回彈能力。推薦使用下列材料：20、25、35、16Mn、20MnMo、20CrMo、15CrMo、1Crl8Ni9Ti等。
軟墊片有金屬、非金屬兩類，非金屬用柔性石墨；金屬用退火鋁、退火紫銅、純鐵、奧氏體不銹鋼。
③影響雙錐環密封性能的因素
1)結構影響：結構自緊系數A／(A—C)對其密封性能影響十分明顯，表示錐面上密封比壓與介質壓力的比值。
普通雙錐環密封中加了軟金屬墊片，故A／(A—C)值可小些，但不得低于2。試驗發現：A／(A—C)=1.43，加壓至14.7MPa便開始泄漏；將A／(A—C)增至2.35，升壓至94.08MPa，密封性能仍保持良好。
    錐面貼合程度對密封性能有一定影響。應按標準上環錐角和蓋錐角公差加工，在壓力上升后，頂蓋與筒體產生微量偏轉，更利于錐面的貼合，對密封有利。
2)徑向間隙e的影響：為充分發揮自緊作用，e應控制在雙錐環內圓柱面直徑的0.1％～0.15％范圍內，過小自緊作用不夠，過大可造成雙錐環失穩。
3)主螺栓預緊力的影響：為使軟金屬墊片達到屈服并填平密封面不平之處，需一定的螺栓預緊力。試驗證明：預緊比壓超過49MPa并繼續增加，對工作狀態下雙錐環的密封比壓影響不大。與強制型密封不同，雙錐環密封一旦在操作中出現泄漏，擰緊螺栓或增加螺栓預緊力是沒有用的。增加螺栓預緊力可提高升降過程中的臨界泄漏壓力，但不會降低操作時的泄漏率。
4)多次升降壓的影響：雙錐環密封達到操作壓力并處于保壓狀態時，一般泄漏量最小并隨保壓時間延長而泄漏量有所降低。在升壓期間，由于環與頂蓋間密封面的滑移(常伴有“嘎、嘎”之聲響)，所以泄漏量最大。每經過一次升降壓，螺栓預緊力便要降低4％～10％。為防止升降壓給密封性能帶來不利影響，設計時可適當增大間隙e值或墊片的預緊比壓值y。
5)溫度的影響：在強制型密封中，高溫對其密封性能的影響不容忽視。但雙錐環密封高溫試驗時(300℃氣密試驗，330℃高溫水試驗)，泄漏量竟比常溫時還低。
原因分析：
    由于升溫，使得強制型密封的法蘭、墊片、螺栓三者之間產生溫差并引起應力松弛和各種變形，致使螺栓力下降，密封面比壓低于所需值而產生泄漏。
    而螺栓預緊力對工作狀態下雙錐環密封比壓影響不大，盡管溫度升至300℃，螺栓預緊力下降77％一83％，但密封比壓只下降3％一7％，加之金屬軟墊片在高溫下強度下降，更利于填平密封面上的不平之處和缺陷。
⑶.無墊雙錐環密封
帶軟金屬墊片雙錐環優點：結構不復雜，制造經驗較為成熟，密封性能好。
帶軟金屬墊片雙錐環缺點：
①制作1.2m以上大直徑的軟金屬墊片受板材寬度的限制，需專門模具，所以，帶軟金屬墊片的雙錐環密封難以適應大型裝置的需要；
②由于環與軟金屬墊片不是一整體，安裝困難；
③當封口處溫度達300℃以上，鋁墊容易卡死或粘結在密封面上，不僅拆卸不方便，且需修復密封面。
帶軟墊的普通雙錐環密封有時不能滿足要求，于是出現無墊雙錐環密封結構。
該結構在國外大型合成氨裝置、丁辛醇裝置中早有使用。
國內1975年開始進行研究。該密封不足之處：
1)密封面加工精度高：表面粗糙度要求在0.8μm以上，對大直徑高壓設備的加工很困難。即使能保證加工精度，安裝時如有不慎，很容易損傷密封面。
2)密封面之間相互錯動造成的徑向擦傷是導致密封失效的主要因素：特別是雙錐環與頂蓋的接觸面比壓很高，在升、降壓時，頂蓋與環錯動量較大，雙錐環與頂蓋之間既無軟金屬墊，又缺少潤滑措施或噴、鍍諸如銀、聚四氟乙烯之類的軟材料，勢必引起密封面互相擦傷和粘結。
無墊雙錐環密封較普通的雙錐環密封有一定的優越性，但也存在問題，在實際使用中同樣受到限制。
⑷.金屬絲雙錐環密封
是對普通雙錐環和無墊雙錐環密封結構的改進和發展，國外尚無先例，現已列入GB150—98《鋼制壓力容器》中。
① 優點
    利用雙錐環密封面上半圓形或三角形溝槽嵌入2-3根既軟而延展性又好的金屬絲(如銅、不銹鋼、銀等)，代替普通雙錐環密封中的軟墊片，既降低成本，又縮短制造周期；在安裝檢修中，也因金屬絲和雙錐環為一體減少困難；避免無墊雙錐環因密封面錯動而造成的擦傷，并可以降低密封面的加工精度要求。
② 螺栓預緊力計算
    與普通雙錐環在密封性能尤其是自緊性能方面十分相似。其密封面比壓與密封壓力、泄漏量的關系與帶墊雙錐環相差無幾。螺栓載荷計算完全參照普通雙錐環密封進行。
③ 金屬絲的鑲絲工藝
    金屬絲接頭的焊接宜采用氬弧焊，焊后將接頭處修磨打圓。密封面上的溝槽若是半圓形的，則金屬絲絲徑為溝槽圓弧直徑的0.9倍；若溝槽為三角形，則絲徑面積為溝槽截面積的1.4～1.6倍。建議絲徑控制在Φ1.4～Φ2.5mm之間。金屬絲下料長度一般稍短于理論計算長度3.5mm，以使金屬絲嵌于溝槽后處于受拉狀態，不易脫落。由鑲兩條銅絲的雙錐環和帶鋁墊的雙錐環的對比試驗知，兩者密封性能基本一致。鑲絲環和無墊環的對比試驗表明：在試驗條件基本相同的情況下密封效果截然不同。
鑲絲環與無墊環的試驗結果對比

C形環密封
密封原理、結構特點及使用
    依靠兩個凸緣部分與上下法蘭緊密接觸而形成密封。
擰緊螺栓，密封環受壓縮，兩凸緣與上、下法蘭接觸處產生塑料變形，變線接觸為窄環帶接觸，建立初始密封。
    內壓上升后，上下法蘭有互相脫離的趨勢，C形環也軸向張開，補償由上、下法蘭互相脫離造成的密封比壓下降。
    環的補償由兩部分組成：一是由預緊時，C形環預壓縮造成的回彈；二是由于介質壓力使C形環產生的反向變形。
結構特點：預緊力較小并能嚴格控制。若采用卡箍連接可避免采用大螺栓和笨重的大法蘭，結構緊湊，加工方便，安裝拆卸容易，減輕勞動強度，縮短檢修周期。其自緊作用明顯，密封性能可靠。
推薦使用范圍：溫度低于200℃，壓力小于35MPa，封口直徑Φ300一Φ1000mm。
金屬O形環密封
優點： 具有良好的密封性能，耐壓、耐溫、耐介質性及氣密性好。
特別適用于高壓、高真空、高溫介質的密封。
中科院早在1965年就對金屬O形環的密封機理進行了較為系統的研究，為設計提供了理論依據。
1970年開始進行工業化應用試驗，起初基本局限于國防工業和原子能工業。
    國外在這方面發展迅速，封口直徑最大已用至Φ8500mm，最高使用壓力700MPa以上。且認為：只要選材適當，可滿足工作溫度-261—980℃的密封要求。
金屬O形環密封是一種很有前途的密封結構。
密封原理和結構
    金屬O形環密封結構簡單，由上、下法蘭、緊固件和0形環所組成。其結構有三種型式，見圖3—25。其中圖(a)為普通O形環，圖(b)為充氣O形環，圖(c)為自緊O形環。

密封原理和結構
    普通O形環能達到的密封壓力和真空度較低，使用不多。
    自緊式O形環因介質壓力通過其內側若干小孔進入環內，具有一定的自緊作用。高壓、超高壓設備采用此種結構。
    充氣環管內可填充易氣化的固體材料如干冰、偶氮二異丁腈。使用時填充材料升華，氣體膨脹產生壓力。溫度愈高，管內壓力也愈高，可補償金屬材料強度降低所造成的密封比壓下降。
充氣環適合在高溫介質中使用。
    密封原理與C形環相同。ΦD、厚t的金屬環管受到初始壓應力后被壓扁，在與上下法蘭面的接觸處產生塑性變形。此初始壓應力和壓扁程度就決定了O形環的密封性能。